未來(lái)新科技在電站自動(dòng)化領(lǐng)域的展望與探索

段子怡（太原理工大學(xué)，山西 太原 030024）

未來(lái)新科技在電站自動(dòng)化領(lǐng)域的展望與探索

段子怡
（太原理工大學(xué)，山西 太原 030024）

闡述了與電站自動(dòng)化相關(guān)的未來(lái)新科技發(fā)展趨勢(shì)，分析了電站自動(dòng)化領(lǐng)域的發(fā)展現(xiàn)狀，提出了新能源發(fā)展對(duì)電站自動(dòng)化的挑戰(zhàn)，對(duì)大數(shù)據(jù)分析技術(shù)和人工智能控制技術(shù)在電站自動(dòng)化領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行了展望和探索。

新科技；新能源；大數(shù)據(jù)分析；自動(dòng)化；人工智能

0 引言

有關(guān)權(quán)威機(jī)構(gòu)發(fā)布的《2016年—2045年新科技趨勢(shì)報(bào)告》明確了未來(lái)30年 20項(xiàng)最值得關(guān)注的科技發(fā)展趨勢(shì)，涵蓋了能源、信息、航天、武器、醫(yī)療、農(nóng)業(yè)以及人類(lèi)日?；顒?dòng)等各個(gè)領(lǐng)域。其中與電力行業(yè)緊密相關(guān)的有能源、智能自動(dòng)化、數(shù)據(jù)分析、物聯(lián)網(wǎng)、網(wǎng)絡(luò)安全等方面，特別值得關(guān)注的是機(jī)器人與自動(dòng)化、大數(shù)據(jù)分析。未來(lái)的世界，機(jī)器人與自動(dòng)化系統(tǒng)將無(wú)處不在，處理巨量動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的能力也會(huì)逐漸提高，自動(dòng)人工智能軟件將能夠從散亂的數(shù)據(jù)中識(shí)別并提取有關(guān)聯(lián)的信息；而這種數(shù)據(jù)分析的能力將會(huì)擴(kuò)散到工業(yè)生產(chǎn)、日常生活等各個(gè)領(lǐng)域，也將會(huì)在電站自動(dòng)化系統(tǒng)中推廣應(yīng)用，解決電力發(fā)展中遇到的許多新問(wèn)題。

1 電站自動(dòng)化領(lǐng)域的發(fā)展現(xiàn)狀

隨著人類(lèi)整體科學(xué)技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步，近幾十年電站自動(dòng)化領(lǐng)域發(fā)展迅速，控制裝置由可編程調(diào)節(jié)器發(fā)展到分散控制系統(tǒng) DCS（distributed control system）。目前，DCS的應(yīng)用已非常成熟，不僅大大提高了控制系統(tǒng)的可靠性，而且為自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展提供了廣闊的空間?？刂萍夹g(shù)由簡(jiǎn)單的單回路、串級(jí)控制發(fā)展到多種控制方案相結(jié)合的復(fù)雜控制，由開(kāi)、閉環(huán)獨(dú)立控制發(fā)展到機(jī)組一體化全程自動(dòng)控制。目前，電站自動(dòng)化技術(shù)已發(fā)展到在運(yùn)行人員極少干預(yù)的情況下，可實(shí)現(xiàn)機(jī)組的自啟、停和正常運(yùn)行APS（automation plant startup&shut down system）。DCS的廣泛、成熟應(yīng)用，為先進(jìn)控制理論的應(yīng)用提供了廣闊的發(fā)展空間，控制技術(shù)的應(yīng)用研究在近十幾年中取得了突破性進(jìn)展和很大的研究成果。

文獻(xiàn) [1]中提到，長(zhǎng)期以來(lái)經(jīng)典的控制手段在自動(dòng)控制領(lǐng)域一直占據(jù)主導(dǎo)地位，廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域，為工業(yè)自動(dòng)化的發(fā)展起到了舉足輕重的推動(dòng)作用。隨著電力生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步、新能源技術(shù)的普及應(yīng)用、電力需求的不斷變化、控制對(duì)象呈現(xiàn)復(fù)雜的多樣性，而且要求的控制精度不斷提高，現(xiàn)有的控制理念在許多方面已不能滿(mǎn)足工業(yè)生產(chǎn)的要求。

2 新能源技術(shù)對(duì)電站自動(dòng)化的挑戰(zhàn)

在未來(lái)30年里，全球能源需求預(yù)計(jì)會(huì)增長(zhǎng)35%，可再生能源，比如太陽(yáng)能和風(fēng)能的價(jià)格也開(kāi)始接近于石油。就拿太陽(yáng)能來(lái)說(shuō)，在過(guò)去的10年里，太陽(yáng)能發(fā)電的價(jià)格從每瓦8美元降低至這個(gè)數(shù)字的十分之一。除此之外，還有核能這個(gè)飽受爭(zhēng)議但從未停止開(kāi)發(fā)的能源，新一代的核反應(yīng)堆設(shè)計(jì)宣稱(chēng)比之前的更安全，也會(huì)產(chǎn)生更少的核廢料。清潔能源的大規(guī)模利用對(duì)于應(yīng)對(duì)全球氣候變化、改善地球環(huán)境意義重大。

新能源的代表性技術(shù)主要有：高效太陽(yáng)能技術(shù)、電池技術(shù)、能源收集技術(shù)等。隨著新能源技術(shù)的普及應(yīng)用，新能源在電網(wǎng)中所占的比重將大幅提高，新型材料的電池也將被廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)電池、光伏、以及其他元件，新的稀有資源也會(huì)隨之出現(xiàn)。這將會(huì)全面改變?nèi)蚰茉锤窬?，傳統(tǒng)的能源生產(chǎn)、利用技術(shù)將面臨新的挑戰(zhàn)。

隨著新能源在電網(wǎng)中所占比重的增加，電網(wǎng)的消納能力將面臨挑戰(zhàn)，也將會(huì)對(duì)電力控制技術(shù)領(lǐng)域產(chǎn)生新的、顛覆性的革命。其中“機(jī)組運(yùn)行靈活性”將成為應(yīng)對(duì)未來(lái)能源格局變化的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，其研究也將會(huì)提到一個(gè)新的戰(zhàn)略高度，是未來(lái)電站自動(dòng)化領(lǐng)域的發(fā)展目標(biāo)。正如文獻(xiàn) [2]中所闡述的觀點(diǎn)，機(jī)組實(shí)現(xiàn)靈活性運(yùn)行，可極大地提高機(jī)組的深度調(diào)峰、調(diào)頻能力，可較好地應(yīng)對(duì)新能源發(fā)展對(duì)電網(wǎng)消納能力的挑戰(zhàn)。機(jī)組運(yùn)行靈活性研究的提出在國(guó)外起源于20世紀(jì)90年代，一直沒(méi)有實(shí)質(zhì)性發(fā)展，主要涵蓋以下幾個(gè)方面。

a)快速啟動(dòng)（fast start up），實(shí)現(xiàn)機(jī)組的整體快速帶負(fù)荷啟動(dòng)，縮短機(jī)組啟動(dòng)時(shí)間。

b)頻率響應(yīng)（frequency response），提高機(jī)組的調(diào)頻響應(yīng)速率和調(diào)頻深度。

c)尖峰負(fù)荷與電網(wǎng)支持 （peak load&grid support），機(jī)組能夠帶尖峰負(fù)荷運(yùn)行，為電網(wǎng)提供額外的供電負(fù)荷。

d)改善超低負(fù)荷（minimum load improvement），增加機(jī)組部分負(fù)荷的效率，實(shí)現(xiàn)超低負(fù)荷運(yùn)行，提高機(jī)組的深度調(diào)峰能力。

e)快速停機(jī)（fast shut down），實(shí)現(xiàn)機(jī)組快速降負(fù)荷停機(jī)，優(yōu)化機(jī)組的余熱利用效率，縮短機(jī)組的停機(jī)時(shí)間。

近年來(lái)隨著新能源的接入，對(duì)機(jī)組的調(diào)峰能力提出了更高的要求。一些國(guó)家級(jí)的電力研究機(jī)構(gòu)又提出了“機(jī)組運(yùn)行靈活性”的概念，而且也越來(lái)越得到行業(yè)內(nèi)的高度重視?！皺C(jī)組運(yùn)行靈活性”的研究將使自動(dòng)控制運(yùn)行技術(shù)達(dá)到一個(gè)新的里程。未來(lái)的電站自動(dòng)化系統(tǒng)發(fā)展將大量依靠專(zhuān)家系統(tǒng)的大數(shù)據(jù)分析，應(yīng)用機(jī)器人與自動(dòng)化系統(tǒng)完成對(duì)電力生產(chǎn)、調(diào)度和輸配過(guò)程的精確控制。

3 大數(shù)據(jù)分析和人工智能控制

截至2015年，人類(lèi)總共創(chuàng)造了4.4 ZB的數(shù)據(jù)，而這個(gè)數(shù)字大約每?jī)赡昃蜁?huì)翻倍。這些海量的數(shù)據(jù)中包含、隱藏了尖端科技、工業(yè)生產(chǎn)、人們的日常生活等各方面的信息。近年來(lái)，雖然大數(shù)據(jù)分析逐步成為一個(gè)熱點(diǎn)，但遺憾的是，這些數(shù)據(jù)中每年只有不到10%會(huì)被分析應(yīng)用。

在未來(lái)的時(shí)間里，機(jī)器人與自動(dòng)化系統(tǒng)將無(wú)處不在，處理巨量數(shù)據(jù)的能力會(huì)逐漸提高。隨著人工智能的發(fā)展，各種自動(dòng)化軟件能夠從大量、雜亂的信息中識(shí)別并提取相關(guān)聯(lián)、有價(jià)值的信息并進(jìn)行分析，進(jìn)而形成專(zhuān)家系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)，來(lái)替代人工完成對(duì)控制對(duì)象精準(zhǔn)控制。而這種大數(shù)據(jù)分析與人工智能自動(dòng)化技術(shù)的應(yīng)用也會(huì)從尖端的科技領(lǐng)域逐步普及到普通生產(chǎn)過(guò)程中，比如電力、冶金、化工、機(jī)械制造等領(lǐng)域。

超級(jí)計(jì)算機(jī)的應(yīng)用將使自動(dòng)化技術(shù)發(fā)生革命性的改變。隨著超級(jí)計(jì)算機(jī)的普及應(yīng)用，電力系統(tǒng)運(yùn)行中所產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)將會(huì)被分析應(yīng)用，基于大數(shù)據(jù)分析的信息庫(kù)將會(huì)對(duì)控制對(duì)象數(shù)學(xué)模型進(jìn)行及時(shí)修正，使在線(xiàn)運(yùn)行的對(duì)象模型更加精準(zhǔn)，對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的控制更加有效；依據(jù)各種先進(jìn)的控制理論形成的控制方案專(zhuān)家?guī)?，將?huì)根據(jù)生產(chǎn)過(guò)程的實(shí)際運(yùn)行情況、控制效果的精確分析、判斷，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)調(diào)用、調(diào)整和優(yōu)化，使生產(chǎn)過(guò)程中的技術(shù)需求實(shí)現(xiàn)信息共享、資源共享、技術(shù)共享，理論研究和新的科技成果通過(guò)超級(jí)計(jì)算機(jī)和大數(shù)據(jù)專(zhuān)家?guī)旒皶r(shí)轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力；專(zhuān)家分析系統(tǒng)作為大數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)的一部分，也將會(huì)匯集生產(chǎn)過(guò)程中出現(xiàn)過(guò)的各種問(wèn)題，對(duì)生產(chǎn)過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題提供及時(shí)、方便、快捷的指導(dǎo)。

屆時(shí)，對(duì)傳統(tǒng)的自動(dòng)控制技術(shù)是一個(gè)劃時(shí)代的革命，機(jī)器人替代自動(dòng)化領(lǐng)域的專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員完成對(duì)控制對(duì)象數(shù)學(xué)模型的修正、對(duì)控制方案的選擇、對(duì)控制參數(shù)的調(diào)整、對(duì)控制效果的分析和判斷以及解決存在的問(wèn)題等，使電力生產(chǎn)、調(diào)度和輸配過(guò)程變得更輕松、更高效、更便捷，電力行業(yè)新能源發(fā)展所帶來(lái)的問(wèn)題也將會(huì)迎刃而解，“機(jī)組運(yùn)行靈活性”的研究也將取得突破性的成果。

4 結(jié)論

未來(lái)，大數(shù)據(jù)分析技術(shù)與人工智能自動(dòng)化技術(shù)等新科技在工業(yè)生產(chǎn)中的普及和應(yīng)用，使得每一個(gè)生產(chǎn)領(lǐng)域?qū)⒊蔀榇髷?shù)據(jù)、超級(jí)計(jì)算機(jī)大系統(tǒng)中的基本單元，共享科技發(fā)展的成果，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程全球化；同時(shí)全社會(huì)對(duì)人才結(jié)構(gòu)的需求、教育體制方向也將會(huì)發(fā)生根本性變化，不僅需要高精尖端人才不斷充實(shí)到科技研發(fā)隊(duì)伍中來(lái)，生產(chǎn)企業(yè)的專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員也將從技能型向新科技應(yīng)用型轉(zhuǎn)變。

新科技在日常工業(yè)生產(chǎn)中的普及應(yīng)用也將對(duì)網(wǎng)絡(luò)信息安全提出更高的要求。隨著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)、數(shù)據(jù)分析以及人工智能這三大技術(shù)之間的合作將會(huì)在世界上創(chuàng)造出一個(gè)巨大的智能機(jī)器網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)攻擊的后果也會(huì)越來(lái)越嚴(yán)重，對(duì)社會(huì)、國(guó)家、企業(yè)、個(gè)人的威脅與日俱增。因此，在新科技迅猛發(fā)展的未來(lái)，網(wǎng)絡(luò)安全尤為重要。

[1]段秋剛．熱控技術(shù)的發(fā)展與先進(jìn)控制理論的應(yīng)用 [J]．山西電力，2005（6）：55-57．

[2]張繼權(quán)，張艷波，蘇琳．火電靈活性提升可行方案的研究[J]．科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2016（31）：201-201．

Prospect and Exploration of New Technology in the Field of Electric Power Automation

DUAN Ziyi
（Taiyuan University of Technology,Taiyuan,Shanxi 030024,China）

The development trend for newscience and technology related topower station automation is elaborated.The development status of power automation field is analyzed,and the challenge of newenergy development to power station automation is put forward.The application of large data analysis technology and artificial intelligence control technology in power station automation are prospected and explored.

newscience and technology;newenergy;big data analysis;automation;artificial intelligence

TM76

A

1671-0320（2017）03-0058-03

2017-01-19，

2017-04-09

段子怡（1995），男，山西太原人，2014級(jí)太原理工大學(xué)軟件工程專(zhuān)業(yè)學(xué)士在讀。